A107使用TDFEA确定水平井的最大延伸极限-上传版本

1 使用使用 TDFEA 确定水平井确定水平井 的最大延伸极限的最大延伸极限 摘要 水平井具有泄油面积大 单井产量高 穿透度大 储量动用程度高 可避 开障碍物和环境恶劣地带等优点 随着国内水平井技术的发展和应用 水平井 的水平段越打越长 因此 在设计阶段 如何确定水平井的最大延伸极限 并 进行合理的钻井设计显得越来越重要 本文从钻柱力学方面来确定一口水平井 的理论延伸极限 并结合实际 使用 TDFEA 软件根据现场数据反算摩阻系数 后 可较为准确的计算水平井的最大延伸极限 其结果与现场实际情况相吻合 熊歆斌 2011 年 12 月 2 日 2 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 3 1 前言前言 水平井具有泄油面积大 单井产量高 穿透度大 储量动用程度高 可避开障碍物和 环境恶劣地带等优点 随着国内水平井技术的发展和应用 水平井的水平段越打越长 因 此 在设计阶段 如何确定水平井的最大延伸极限 并进行合理的钻井设计显得越来越重 要 本文采用 NDS 系统中的摩阻扭矩分析软件 TDFEA 从钻柱摩阻方面来确定一口水平 井的理论延伸极限 并结合实际 使用 TDFEA 软件根据现场数据反算摩阻系数 与实际 的施工极限相比较 结果吻合较好 2 井基本情况井基本情况 X030 H3 井为一口水平井 垂深约 2710 米 此井重点关注的是采用常规螺杆定向 看 水平段最长能打多少米 实际施工 水平段长不到 1000 米 2 1 设计轨道设计轨道 本井提供的数据只有实钻轨迹 请见文后附录 1 根据实钻反推其设计轨道大致如下 造斜点在 2300 米左右 平均造斜率约为 4 5 度 30 米 水平段长约 1000 米 其垂直投影图如下 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 4 2 2 井身结构井身结构 X030 H3 的井身结构为三开结构 最后一开裸眼为 152 4mm 开钻次序井 深 m 钻头尺寸 mm 套管尺寸 mm 一开0 1550 311 2 1550m 244 5 二开 2893 219 5 2893m 177 8 三开 3850 152 4 3850m 将其输入到 NDS 的井身结构编辑器中 如下图所示 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 5 2 3 钻具组合钻具组合 X030 H3 的三开水平段钻具组合大致如下 只保留了主体结构 忽略了仪器 螺杆 接头等细节 下部井段为 3 寸半钻杆 上部大井眼为 5 寸钻杆 为防止屈曲 中间采用了 20 根加重钻杆 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 6 3 水平井最大延伸极限水平井最大延伸极限 在确定水平井延伸极限时 最主要的决定因素就是钻杆是否发生屈曲 如果发生屈曲 钻压无法正常到达钻头 严重的导致钻具自锁 最终导致无法钻进 因此 通过钻柱力学 分析 施工中 钻具不会发生屈曲的最大井深 就是该水平井在摩阻力学方面的最大极限 一般情况下 此时抗拉 抗扭等校核安全系数都还比较大 此外 如果井深很大 还需要分析水力学方面的极限 即最大泵压限制和水平井携岩 能力要求等 本文所列举的井 测深一共 4000 米 水力学方面基本可以满足 在此不做详 述 3 1 屈曲理论基础屈曲理论基础 当钻杆承受过大的轴向压缩载荷时 钻杆会因较小的抵抗轴向阻力而失效变弯 导致 屈曲 这种现象类似于 压杆失稳 一旦轴向压力超过了正弦临界屈曲力 钻柱会发生正 弦屈曲 蛇形 在这个阶段 钻柱会沿着井眼的低边如蛇状弯曲 如下图左所示 继续增加钻压 将导致钻柱的轴向压力继续增加 如果超过了螺旋临界屈曲力 钻柱 将由正弦弯曲过渡到螺旋弯曲 即沿着井壁盘成螺旋状 如上图右所示 屈曲是由于钻柱承受压力引起的 因此只有在旋转钻进和滑动钻进情况下才有可能发 生屈曲 但绝大多数发生在滑动钻进过程 钻柱一旦发生屈曲 将会产生一系列井下复杂和事故的发生 比如摩阻剧增 钻柱自 锁 卡钻 钻具断裂等 因此在设计阶段 合理地设计钻具组合 从而避免屈曲的发生就 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 7 显得非常必要 在 API RP 7G 中 所列出的正弦屈曲极限公式如下 而螺旋屈曲极限则为正弦屈曲极限的 1 414 2 的平方根 倍 3 2 如何预防屈曲的发生如何预防屈曲的发生 从上一节理论分析中可知 当钻柱受压因此 要防止钻井中屈曲的发生 可以从两个 方面入手 改变钻柱受力 减少钻杆所受的最大压力 提高钻具抗屈曲的能力 即屈曲极限 在钻井设计基本固定的情况下 改变受力的有效手段是倒装加重钻杆 将较重的加重 钻杆布置在 45 度井斜以上可以获得最佳的改变效果 利用自身重力 可有效减少钻杆受压 段 另外改变受力的方式还有采用较小的钻压 以及各种减少摩阻的措施 如提高钻井液 润滑性能等 如果改变受力仍然有屈曲的情况发生 那就应该提高钻具的屈曲极限 在 API RP 7G 中 所列出的正弦屈曲极限公式如下 而螺旋屈曲极限则为正弦屈曲极限的 1 414 2 的平方根 倍 从上面的公式可以看出 屈曲极限与井斜角 钻具线重 浮力系数 材料杨氏模量 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 8 钻具截面属性 极惯性矩 成正比 与钻具与井眼间隙成反比 由于钢的杨氏模量是定值 与钢级无关 而浮力系数变化很小 井斜角是由轨迹自身确定的 因此 提高屈曲极限的 方式主要包括 1 采用较粗的钻具和较细的井身结构 2 外径不变得情况下 采用较厚的钻具 如加重或者加厚 3 采用线重大的钻具 当然 上面的方法在提高屈曲极限的同时 较小的间隙和较大的壁厚都会导致水力压 耗加大 泵压提高 而采用线重大的钻具 本身也会一定程度增加摩阻 因此 需要结合 实际情况分析应用 3 3 摩阻实例计算摩阻实例计算 在 X030 H3 井中 上部采用了 5 寸钻杆 并在 3 寸半钻杆中安放了 20 根加重钻杆以 改善受力和提高屈曲极限 下面用 NDS 的摩阻扭矩软件 TDFEA 进行分析 其输入如下 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 9 其中 摩阻系数采用水基泥浆的经验系数 套管内 0 29 裸眼内 0 37 与采用实际现 场起钻时摩阻约 12 吨反算的摩阻系数一致 分别对下钻 定向钻 1 吨钻头钻压 定向钻 5 吨钻头钻压以及复合钻 5 吨钻压进行校 核 计算得到的结果综述如下 抗拉 抗扭 三轴应力以及侧向力都在安全范围 下面是屈曲分析的结果图 可见当井深到 3850 米时 加一吨钻压都会导致 2400 米左右的钻具发生螺旋屈曲 下 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 10 钻会发生正弦屈曲 当发生正弦屈曲时 钻压还可以到达钻头 螺旋屈曲则基本无法钻进 因此 假设加 1 吨钻头钻压时钻头能破岩 则当某一个延伸长度时 钻柱发生正弦屈曲 而未发生螺旋屈曲时的井深即为延伸极限 则调整钻头深度 本趟钻具组合的延伸极限为 3710 米 如下图所示 3 4 倒装加重的原则倒装加重的原则 一般来讲 为防止屈曲进行的加重钻杆倒装 应该安放在 45 度井斜以上 才能到达最 佳效果 但具体放在什么位置 则需要根据受力分析结果来确定 把加重钻杆安排在最危 险的地方 即受压最大的地方 从上图可以看出 加重钻杆的位置在发生屈曲段的上面 因此 还可以对加重钻杆位 置进行优化 提高此井的水平段延伸极限 下面是将加重钻杆位置下移约 500 米后的延伸 极限 仍以 1 吨钻压为最小钻压 起延伸极限从 3710 提高到 3865 米 如下图所示 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 11 4 结论结论 1 通过摩阻扭矩软件计算 可将 1 吨钻压时 钻具发生正弦屈曲而不发生螺旋屈曲 的最大井深作为理论的水平井最大延伸极限 软件根据实钻数据和现场参数进行模拟 与 实际现场情况基本吻合 2 防止钻井中发生屈曲的措施主要从两方面入手 1 改变钻柱受力 减少钻杆所受的最大压力 2 提高钻具抗屈曲的能力 即屈曲极限 3 倒装加重钻杆是防止屈曲发生的有效手段 4 TDFEA 摩阻扭矩分析软件可以分析倒装加重钻杆的最佳位置 能提高水平井的极 限延伸能力 5 摩阻分析确定的水平井极限延伸能力 还要与水力学 实际钻井工艺等限制条件 结合 满足钻井其它限制条件的延伸长度 作为最终的极限延伸长度 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 12 附录附录 1 实钻测斜数据表实钻测斜数据表 测深测深 m 井斜井斜 deg 网格方网格方 位位 deg 垂深垂深 m 北坐标北坐标 m 东坐标东坐标 m 狗腿度狗腿度 deg 30m 闭合距闭合距 m 闭合方闭合方 位位 deg 0 000 000 000 000 000 000 000 000 00 1625 000 330 001624 994 680 000 014 680 00 1650 000 260 001649 994 810 000 094 810 00 1675 000 360 001674 994 940 000 124 940 00 1700 000 220 001699 995 070 000 175 070 00 1725 000 30212 931724 995 06 0 040 605 06359 59 1750 000 42226 121749 994 94 0 140 174 94358 41 1775 000 461 661774 994 98 0 200 974 98357 70 1800 000 62304 801799 995 16 0 310 635 16356 59 1825 000 68331 721824 995 36 0 490 375 38354 81 1850 000 44310 631849 995 56 0 630 375 59353 52 1875 000 4817 071874 985 72 0 670 605 76353 28 1900 000 6730 451899 985 94 0 570 285 97354 53 1925 000 6830 401924 986 20 0 420 026 21356 13 1950 000 616 681949 986 46 0 330 336 47357 09 1975 000 6520 471974 986 72 0 260 196 73357 75 2000 000 6238 121999 986 96 0 130 246 96358 92 2025 000 5872 522024 987 100 070 427 100 57 2050 000 7198 742049 977 120 340 387 122 76 2075 000 6894 102074 977 080 640 077 115 19 2100 000 5553 042099 977 140 890 547 207 08 2125 000 768 822124 977 381 010 637 457 78 2150 001 04357 282149 977 771 020 407 837 50 2175 001 112 722174 968 241 020 158 307 09 2200 000 9426 002199 968 661 120 548 737 40 2225 001 0433 762224 959 031 340 209 138 44 2250 001 3235 182249 959 461 630 349 609 80 2275 001 4639 782274 949 942 000 2110 1411 39 2300 001 3314 202299 9310 462 280 7510 7112 28 2325 003 47295 842324 9211 071 674 1511 208 56 2350 003 62339 412349 8712 140 713 1612 163 34 2375 006 8015 542374 7714 310 835 3114 333 31 2400 0010 7339 172399 4817 542 696 3017 758 73 2425 0015 2141 352423 8421 816 335 4122 7116 19 2450 0020 3839 642447 6327 6311 286 2429 8422 21 2475 0026 0740 362470 6035 1817 626 8339 3426 61 Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 13 测深测深 m 井斜井斜 deg 网格方网格方 位位 deg 垂深垂深 m 北坐标北坐标 m 东坐标东坐标 m 狗腿度狗腿度 deg 30m 闭合距闭合距 m 闭合方闭合方 位位 deg 2500 0030 6846 492492 5943 7625 816 5450 8030 53 2525 0036 1354 052513 4652 4936 428 2263 8834 75 2550 0037 4061 252533 5060 4749 055 3977 8639 04 2575 0038 6362 252553 2067 7662 611 6492 2542 74 2600 0037 0564 232572 9474 6676 302 39106 7545 62 2625 0038 3364 882592 7281 2390 101 61121 3147 96 2650 0043 8463 632611 5688 37104 896 68137 1549 88 2675 0048 6061 642628 8596 68120 915 97154 8051 35 2700 0051 7261 292644 87105 85137 773 76173 7352 46 2725 0055 1162 192659 77115 35155 454 15193 5753 42 2750 0060 0564 622673 17124 78174 316 42214 3754 40 2775 0067 1164 702684 29134 35194 548 47236 4255 37 2800 0072 0264 372693 01144 42215 685 90259 5756 19 2825 0076 4564 522699 81154 80237 385 32283 3956 89 2850 0079 5964 602705 00165 30259 463 77307 6457 50 2869 7581 0368 002708 32173 13277 285 55326 8958 02 2904 1085 4969 422712 35185 51309 064 09360 4659 03 2923 6489 7270 382713 17192 21327 396 66379 6559 58 2932 0890 3870 302713 16195 05335 342 36387 9459 82 2941 6191 4869 632713 01198 32344 294 05397 3260 06 2951 7192 1368 992712 69201 88353 732 71407 2960 29 2960 7792 4868 922712 32205 14362 181 18416 2460 47 2971 2491 2468 512711 98208 93371 933 74426 6060 67 2980 6489 5268 632711 92212 37380 685 50435 9160 84 2989 0189 0768 172712 02215 45388 462 31444 2160 99 2999 2590 1467 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Navigator Drilling Studio 技术文档 使用 TDFEA 确定水平井的最大延伸极 限 15 测深测深 m 井斜井斜 deg 网格方网格方 位位 deg 垂深垂深 m 北坐标北坐标 m 东坐标东坐标 m 狗腿度狗腿度 deg 30m 闭合距闭合距 m 闭合方闭合方 位位 deg 3530 6792 0067 362705 54402 09896 162 60982 2365 84 3540 4592 4867 262705 16405 86905 181 50992 0065 85 3549 8992 4167 042704 75409 52913 870 731001 4365 86 3559 7392 5167 542704 33413 31922 941 551011 2665 88 3569 8791 1068 302704 01417 12932 334 741021 3965 90 3579 5789 7267 982703 94420 74941 334 381031 0865 92 3588 4987 8068 112704 14424 07949 606 471039 9965 94 3598 8887 2167 642704 59427 98959 222 181050 3765 95 3608 0687 7067 502705 00431 48967 701 671059 5365 97 3617 3788 1867 542705 33435 04976 291 551068 8365 98 3627 4889 2867 252705 55438 92985 623 381078 9466 00 3637 1588 6667 462705 73442 64994 552 031088 6066 01 3645 8088 3567 502705 95445 961002 531 081